1972年8月，阿波罗16号与17号任务的间隙期间，一场强烈的太阳风暴爆发，其喷射出的质子流足以提升宇航员的患癌风险，甚至引发急性放射病。地球的大气层和磁场能够吸收这类辐射，但前往月球或火星的宇航员将失去这层天然防护，而现有航天器的屏蔽能力也远不足以抵御此类威胁。
以色列裔美国初创公司StemRad专注于辐射防护个人装备的研发，其联合创始人乔丹·侯里与奥伦·米尔斯坦带领团队提出了一种新思路：与其加固飞船，不如直接保护宇航员本身。
为验证这一理念，StemRad团队将一款名为AstroRad的可穿戴辐射防护背心搭载于NASA无人驾驶的阿尔忒弥斯一号任务，随飞船完成绕月往返飞行，并利用飞行数据模拟背心在真实太阳风暴中的防护表现。结果显示，该背心的防护效果与猎户座飞船上专为躲避风暴设计的重型屏蔽庇护舱相当。
数十年来，航天器设计师们一直在权衡各种屏蔽方案，包括铝制船体、注水墙体以及可偏转带电粒子的超导磁体。然而，所有方案都面临同一道难题。"关键在于如何以最高效的方式利用质量，"米尔斯坦说，"质量才是真正的瓶颈——每一克都至关重要。"
可穿戴式防护服的构想既合情合理，又看似荒谬。荒谬之处在于，长期以来人们普遍认为，防护服要想提供有效保护，就必须像全身板甲一样厚重，且势必需要铅或其他高密度材料，不仅大幅增加重量，还会严重妨碍宇航员活动。
然而，StemRad的工程师们发现，"穿成中世纪骑士"并不能带来多大益处。米尔斯坦解释说，人体对辐射的敏感程度并不均一："骨髓等组织对辐射的敏感度远高于大脑。"基于这一认识，StemRad为核应急人员开发了一款护髋带，专门保护骨盆区域——这里集中了人体约一半的骨髓，而骨髓正是负责生成血细胞的关键组织。即便只保护部分骨髓，人体也能依靠其再生能力从高剂量辐射暴露中存活下来。
随后，StemRad与洛克希德·马丁公司合作，将这一理念扩展为一款女性专用背心，在护髋基础上，还覆盖了胸部、腹部、结肠和生殖器官。这些部位受辐射后虽不会立即危及生命，但存在长期致癌风险。
"这依然让很多人感到困惑，"米尔斯坦说，"大家都会问：头部怎么办？但事实上，即便不保护头部、手臂甚至双腿，我们依然能将有效辐射剂量降低60%。"然而，确定防护部位只是问题的一部分，如何选材、如何设计出不妨碍宇航员活动的结构，同样是一大挑战。
"屏蔽材料效能的首要决定因素是其原子序数与原子质量之比，"侯里说。氢没有中子，其该比值约为其他所有元素的两倍，这也是水常被视为优良空间辐射屏蔽材料的原因。高密度聚乙烯（HDPE）是一种普通塑料，其单位质量氢含量甚至高于水，且与水不同，它是固态材料，无需担心泄漏问题。
然而，HDPE质地较硬，达到有效防护厚度后会影响穿戴舒适性。为解决这一问题，StemRad团队将其分割成不同长度和截面的六棱柱状小棒。"我们将屏蔽板拆分成数千根由HDPE制成的六边形镶嵌棒，"侯里说。这些小棒夹于两层弹性织物之间，使背心具有极高的柔韧性，"其形变方式几乎与液态水相同，同时又保持固态。"
这些棒状单元长度从9毫米到60毫米不等，工程师们借助贝特-布洛赫公式计算其长度——该公式描述了带电粒子在穿越物质时的能量损耗规律，由此可精确预测特定能量的粒子在屏蔽材料中的穿透深度。
当然，再精确的计算也代替不了真实数据。为此，StemRad将AstroRad背心送上了绕月往返之旅。
由于阿尔忒弥斯一号为无人任务，背心需要替代物来"穿戴"。任务搭载了两具完全相同的人体模型，昵称分别为"赫尔加"与"左哈尔"，它们改编自放射治疗剂量学中已广泛使用的仿真体模，由与人体组织等效的材料制成。"它们与辐射的相互作用方式几乎与真实人体组织完全相同，"侯里解释道。其中，左哈尔穿戴了背心，赫尔加则没有任何防护。两具模型内均密布数千个剂量计，用于分段记录飞行各阶段的辐射剂量，而非仅累计总量。
不过，这些探测器所记录的大部分辐射，来自飞船穿越地球内范艾伦辐射带时的照射——那里汇聚着大量高能捕获质子。阿尔忒弥斯一号飞行期间并未遭遇太阳风暴。"如果当时真的发生了太阳粒子事件，分析就会简单得多——直接用那些数据就行了，"侯里说。由于辐射带的质子能量范围与典型太阳风暴大致重叠，团队以此作为替代数据，建立了包含飞船、人体模型及背心在内的蒙特卡洛模拟模型，并与剂量计实测数据进行比对。模型输出结果与每个剂量计的实际测量值误差均在5%以内。
在确立这一可信度后，团队将辐射带的能谱替换为1972年8月和1989年10月两场历史性太阳风暴的能谱，并让模拟人体模型自由旋转，而非固定朝向前方——毕竟真实宇航员不会在整个事件期间保持静止坐姿。结果显示，背心对1972年风暴类型的事件可将有效辐射剂量降低约60%，而对1989年类型的风暴则约为40%。
"1989年的风暴能量更强，能谱更硬，高能粒子成分更高，属于更接近最坏情况的场景；而1972年的风暴更接近典型的大型事件，"侯里解释道。太阳风暴的粒子通量通常以低能质子为主，高能质子的数量呈指数级递减，这也是背心表现出上述差异的原因。"大部分辐射集中在低能段，用适量材料就能有效屏蔽，"侯里补充说。
从任务规划的角度换算，宇航员在一次重大太阳风暴期间穿戴该背心，可将职业生涯延长约40至193天（以NASA 600毫西弗的终身辐射剂量上限为基准）。这与猎户座飞船专用风暴庇护舱的防护效果相当，但有一个关键区别：庇护舱会严重限制宇航员的行动自由。"穿上背心，宇航员在享受同等防护的同时，仍可在舱内自由行动。我们将其视为对风暴庇护舱的补充性防护手段，"侯里说。
然而，AstroRad背心对银河宇宙射线（GCR）几乎毫无防护效果——这是宇航员面临的另一大辐射威胁。与太阳风暴辐射不同，GCR以更高的能量持续不断地袭来，防护难度更大。"用背心来抵御这类射线并不现实，"侯里说，"那意味着必须时刻穿戴。"
此外，AstroRad背心未来的改进空间也相当有限，目前对其防护效果的评估仍主要依赖计算机模型。
StemRad团队所使用的计算机模型存在一定的不确定性，包括对猎户座飞船船体采用了简化的双材料替代模型，以及对范艾伦辐射带能谱采用了统计预测而非直接实测数据。
要获取背心防护效果的真实数据，就需要将其搭载猎户座飞船前往深空，并等待太阳风暴发生，而这在实践中几乎不可行。
团队表示，目前设计面临的更大制约是重量问题。阿尔忒弥斯一号飞行版本的背心重达26公斤，大约相当于一套中世纪全身板甲的重量。"在不增加质量的情况下提升防护性能，是非常困难的，"米尔斯坦说。因此，团队决定转换思路，向相反的方向努力。
StemRad工程师的近期目标不再是提升防护性能，而是在维持现有防护水平的前提下尽可能减轻重量。利用阿尔忒弥斯一号的飞行数据，他们已成功将背心重量从26公斤降至16公斤。"这次减重并未造成大幅度的防护性能损失，"米尔斯坦表示。他说，最终目标是制造出一款更轻的背心，让宇航员不仅在风暴峰值期间，甚至在风暴前后数天都能持续穿戴。
相关研究已发表于《科学进展》期刊，DOI：http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adz1892
Q&A
Q1：AstroRad防辐射背心是用什么材料做的，为什么能防辐射？
A：AstroRad背心的核心屏蔽材料是高密度聚乙烯（HDPE），这种普通塑料的单位质量氢含量高于水，而氢的原子序数与原子质量之比约为其他元素的两倍，因此屏蔽效果极佳。为兼顾防护与灵活性，工程师将HDPE切割成数千根长度9至60毫米的六边形小棒，夹于弹性织物之间，使背心既能有效屏蔽辐射，又能像液体一样灵活弯曲，不妨碍宇航员活动。
Q2：AstroRad背心在阿尔忒弥斯一号任务中是怎么测试的？
A：由于阿尔忒弥斯一号是无人任务，团队使用了两具由组织等效材料制成的人体模型"赫尔加"与"左哈尔"来穿戴背心。两具模型内均安装有数千个剂量计，分段记录飞行各阶段的辐射剂量。由于飞行期间未发生太阳风暴，团队以飞船穿越范艾伦辐射带的数据作为替代，构建蒙特卡洛模拟模型，并与剂量计实测值进行比对，误差在5%以内，随后再模拟历史太阳风暴场景评估背心性能。
Q3：AstroRad背心现在重多少，未来会怎么改进？
A：阿尔忒弥斯一号飞行版本的AstroRad背心重达26公斤，相当于一套中世纪全身板甲的重量。利用飞行数据，StemRad团队已将其减至16公斤，且防护性能未出现大幅下降。未来的改进方向不是提升防护等级，而是继续减轻重量，目标是让宇航员能够在太阳风暴前后数天内长期穿戴，而不仅限于风暴峰值期间。
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